PN結

PN結具有單向導電性。P是positive的縮寫，N是negative的縮寫，表明正荷子與負荷子起作用的特點。 　　一塊單晶半導體中 ，一部分摻有受主雜質是P型半導體，另一部分摻有施主雜質是N型半導體時 ，P 型半導體和N型半導體的交界面附近的過渡區(qū)稱為PN結。PN結有同質結和異質結兩種。用同一種半導體材料制成的 PN 結叫同質結 ，由禁帶寬度不同的兩種半導體材料制成的PN結叫異質結。制造PN結的方法有合金法、擴散法、離子注入法和外延生長法等。制造異質結通常采用外延生長法。 　　P型半導體（P指positive，帶正電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價元素組成，會在半導體內部形成帶正電的空穴； N型半導體（N指negative，帶負電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價元素組成，會在半導體內部形成帶負電的自由電子。 　　在 P 型半導體中有許多帶正電荷的空穴和帶負電荷的電離雜質。在電場的作用下，空穴是可以移動的，而電離雜質（離子）是固定不動的 。N 型半導體中有許多可動的負電子和固定的正離子。當P型和N型半導體接觸時，在界面附近空穴從P型半導體向N型半導體擴散，電子從N型半導體向P型半導體擴散。空穴和電子相遇而復合，載流子消失。因此在界面附近的結區(qū)中有一段距離缺少載流子，卻有分布在空間的帶電的固定離子，稱為空間電荷區(qū) 。P 型半導體一邊的空間電荷是負離子 ，N 型半導體一邊的空間電荷是正離子。正負離子在界面附近產生電場，這電場阻止載流子進一步擴散 ，達到平衡。 　　在PN結上外加一電壓 ，如果P型一邊接正極 ，N型一邊接負極，電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正極，P型一邊接負極，則空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過。這就是PN結的單向導電性。 　　PN結加反向電壓時 ，空間電荷區(qū)變寬 ， 區(qū)中電場增強。反向電壓增大到一定程度時，反向電流將突然增大。如果外電路不能限制電流，則電流會大到將PN結燒毀。反向電流突然增大時的電壓稱擊穿電壓。基本的擊穿機構有兩種，即隧道擊穿（也叫齊納擊穿）和雪崩擊穿，前者擊穿電壓小于6V，有負的溫度系數(shù)，后者擊穿電壓大于6V，有正的溫度系數(shù)。 PN結加反向電壓時，空間電荷區(qū)中的正負電荷構成一個電容性的器件。它的電容量隨外加電壓改變。 　　根據(jù)PN結的材料、摻雜分布、幾何結構和偏置條件的不同，利用其基本特性可以制造多種功能的晶體二極管。如利用PN結單向導電性可以制作整流二極管、檢波二極管和開關二極管，利用擊穿特性制作穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管；利用高摻雜PN結隧道效應制作隧道二極管；利用結電容隨外電壓變化效應制作變容二極管。使半導體的光電效應與PN結相結合還可以制作多種光電器件。如利用前向偏置異質結的載流子注入與復合可以制造半導體激光二極管與半導體發(fā)光二極管；利用光輻射對PN結反向電流的調制作用可以制成光電探測器；利用光生伏特效應可制成太陽電池。此外，利用兩個 　　PN結之間的相互作用可以產生放大，振蕩等多種電子功能 。PN結是構成雙極型晶體管和場效應晶體管的核心，是現(xiàn)代電子技術的基礎。在二級管中廣泛應用。 　　PN結的平衡態(tài),是指PN結內的溫度均勻、穩(wěn)定,沒有外加電場、外加磁場、光照和輻射等外界因素的作用,宏觀上達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài). 　　
 

PN結的形成

在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程: 　　因濃度差 　　　多子的擴散運動;由雜質離子形成空間電荷區(qū) 　空間電荷區(qū)形成形成內電場 　　　　內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散 　　最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。PN結的內電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

PN結的單向導電性

PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 如果外加電壓使：PN結P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位稱為加正向電壓，簡稱正偏； 　　PN結P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位稱為加反向電壓，簡稱反偏。(1) PN結加正向電壓時的導電情況 　　PN結加正向電壓時的導電情況。外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現(xiàn)低阻性。 PN結加正向電壓時的導電情況,如打不開點這兒（壓縮后的） 　　(2) PN結加反向電壓時的導電情況 　　PN結加反向電壓時的導電情況如圖01.08所示。外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現(xiàn)高阻性。 　　在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 　　PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

PN結的電容效應

PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CB ，二是擴散電容CD 。 　　(1) 勢壘電容CB 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖01.09。 　　圖01.09 勢壘電容示意圖 　　(2) 擴散電容CD 　　擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖01.10所示。 　　當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。

PN結的擊穿特性：

當反向電壓增大到一定值時，PN結的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增 加，這種現(xiàn)象稱為PN結的擊穿，反向電流急劇增加時所對應的電壓稱為反向擊穿電壓，如上圖所示， PN結的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種。
 

1、雪崩擊穿　　

阻擋層中的載流子漂移速度隨內部電場的增強而相應加快到一定程度時，其動能足以把束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來，產生自由電 子—空穴對新產生的載流子在強電場作用下，再去碰撞其它中性原子，又產生新的自由電子—空穴對，如此連鎖反應，使阻擋層中的載流子數(shù)量急 　　劇增加，象雪崩一樣。雪崩擊穿發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結中，阻擋層寬，碰撞電離的機會較多，雪崩擊穿的擊穿電壓高。
 

2、齊納擊穿
 

當PN結兩邊摻雜濃度很高時，阻擋層很薄，不易產生碰撞電離，但當加不大的反向電壓時，阻擋層中的電場很強，足以把中性原子中的價電子直接從共價鍵中拉出來，產生新的自由電子—空穴對，這個過程 稱為場致激發(fā)。 　　一般擊穿電壓在6V以下是齊納擊穿，在6V以上是雪崩擊穿。
 

3、擊穿電壓的溫度特性
 

溫度升高后，晶格振動加劇，致使載流子運動的平 均自由路程縮短，碰撞前動能減小，必須加大反向電壓才能發(fā)生雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù)，但溫度升高，共價鍵中的價電子能量狀態(tài)高，從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降低，具有負的溫度系數(shù)。6V左右兩種擊穿將會同時發(fā)生，擊穿 　　電壓的溫度系數(shù)趨于零。
 

4、穩(wěn)壓二極管
 

PN結一旦擊穿后，盡管反向電流急劇變化，但其端電壓幾 乎不變（近似為V(BR)，只要限制它的反向電流，PN結 就不會燒壞，利用這一特性可制成穩(wěn)壓二極管，其電路符號及伏 　　安特性如上圖所示：其主要參數(shù)有： VZ 、 Izmin 、 Iz 、 Izmax 　　電壓才能發(fā)生雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù)，但溫度升高，共價鍵中的價電子能量狀態(tài)高，從而齊納擊穿電壓隨溫度升高而降 低，具有負的溫度系數(shù)。6V左右兩種擊穿將會同時發(fā)生，擊穿電壓的溫度系數(shù)趨于零。

PN結的電容特性：

PN結除具有非線性電阻特性外，還具有非線性電容特性，主要有勢壘電容和擴散電容。
 

1、勢壘電容
 

勢壘區(qū)類似平板電容器，其交界兩側存儲著數(shù)值相等極性相反的離子電荷，電荷量隨外加電壓而變化，稱為勢壘電容，用CT表示。 　　CT = - dQ/dV 　　PN結有突變結和緩變結，現(xiàn)考慮突變結情況（緩變結參見《晶體管原 理》），PN結相當于平板電容器，雖然外加電場會使勢壘區(qū)變寬或變窄 但這個變化比較小可以忽略， 　　則CT=εS/L，已知動態(tài)平衡下阻擋層的寬度L0，代入上式可得： 　　CT不是恒值，而是隨V而變化，利用該特性可制作變容二極管。
 

2、 擴散電容
 

多子在擴散過程中越過PN結成為另一方的少子， 當PN結處于 平衡狀態(tài)（無外加電壓）時的少子稱為平衡少子 可以認為阻擋層以外的區(qū)域內平衡少子濃度各處是一樣的，當PN結處于正向偏置時，N區(qū)的多子自由電子擴散到P區(qū)成為 P區(qū)的非平衡少子，由于濃度差異還會向P 區(qū)深處擴散，距交界面越遠，非平衡少子濃度越低，其分布曲線見[PN 結的伏 安特性]。當外加正向電壓增大時，濃度分布曲線上移，兩邊 非平 衡少子濃度增加即電荷量增加，為了維持電中性，中性區(qū)內的非平衡多子濃度也相應增加，這就是說，當外加電壓增加時，P區(qū)和N區(qū)各自存儲的空穴和自由電子電荷量也增加，這種效應相當于在PN結上并聯(lián)一個電容，由于它是載流子擴散引起的，故稱之為擴散電容CD，由半導體物理推導得 CD=（ I + Is）τp/VT 推導過程參見《晶體管原理》。 　　當外加反向電壓時 I = Is ， CD趨于零。
 

3、 PN結電容
 

PN結的總電容Cj為CT和CD兩者之和Cj = CT+CD ，外加正向電 壓CD很大， Cj以擴散電容為主（幾十pF到幾千pF） ，外加反向電壓CD趨于零，Cj以勢壘電容為主（幾pF到幾十pF到）。
 

4、變容二極管
 

PN結反偏時，反向電流很小，近似開路，因此是一個主要由勢壘電容構成的較理想的電容器件，且其增量電容值隨外加電壓而變化 利用該特性可制作變容二極管，變容二極管在非線性電路中應用較廣泛， 如壓控振蕩器、頻率調制等。